虛擬現(xiàn)實技術(shù)在技能實訓(xùn)教學(xué)考評中的應(yīng)用研究

羅陸鋒 孫 爽 李國琴 楊 慧

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機械工程學(xué)院 天津 300222

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在技能實訓(xùn)教學(xué)考評中的應(yīng)用研究

羅陸鋒 孫 爽 李國琴 楊 慧

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機械工程學(xué)院 天津 300222

由于傳統(tǒng)的技能實訓(xùn)類課程教學(xué)受設(shè)備成本、維護保養(yǎng)等條件的制約，使得課程考核與評價環(huán)節(jié)投入大而效果不佳。本研究將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與技能實訓(xùn)教學(xué)的考評相結(jié)合，將三維虛擬環(huán)境下的人機交互技術(shù)運用于技能實訓(xùn)課程的操作考評，提出了基于虛擬現(xiàn)實的實訓(xùn)類課程考評系統(tǒng)設(shè)計方法。從考核內(nèi)容及評價方法、三維虛擬考評情境、考評規(guī)則庫以及評價結(jié)論等四方面闡述了考評系統(tǒng)的設(shè)計。以模具拆卸實訓(xùn)為例，介紹了三維可視化模具結(jié)構(gòu)拆裝考評系統(tǒng)的開發(fā)流程，為技能實訓(xùn)教學(xué)考評提供一種新的模式。

虛擬現(xiàn)實；技能實訓(xùn)；教學(xué)考評

近年來，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展，該技術(shù)已開始大量運用于教學(xué)當(dāng)中[1-7]。在工程類的許多課程當(dāng)中，三維虛擬仿真的教學(xué)案例尤為多見。這些案例能直觀對課程教學(xué)內(nèi)容進行全方位演示，從視覺傳達、人機交互等方面彌補了傳統(tǒng)教學(xué)視頻的不足。但它們大多數(shù)是針對課程中的某個單一知識點而設(shè)計，而將虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用全課程教學(xué)考評的案例較少。因此，結(jié)合技能實訓(xùn)教學(xué)的特點，本文提出一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的技能實訓(xùn)教學(xué)考評方法，旨在為技能實訓(xùn)教學(xué)提供一種新的考核和評價模式。

1 虛擬教學(xué)考評系統(tǒng)的優(yōu)勢

虛擬現(xiàn)實也稱為虛擬實境或靈境，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)[8]?；谔摂M現(xiàn)實的技能實訓(xùn)教學(xué)考評方法是指借助三維虛擬仿真技術(shù)在計算機上營造可輔助、部分替代甚至全部替代實操考評的虛實結(jié)合操作環(huán)境，測試人員像在真實環(huán)境中一樣操作設(shè)備，取得效果等價于甚至優(yōu)于在真實環(huán)境中所取得效果。該類考評系統(tǒng)包括虛擬設(shè)備、虛擬操作工具、交互設(shè)備等?？荚u過程是對實際操作技能的虛擬再現(xiàn)。虛擬操作過程與結(jié)果可以被處理、存儲，操作過程可以不斷重復(fù)進行。系統(tǒng)注重虛擬操作過程性、情境性、交互性和考核結(jié)果客觀性。系統(tǒng)具備的優(yōu)勢包括[9]：一是打破了傳統(tǒng)考評方法對場地和時間的限制；二是減少考評器械的損耗，無須擔(dān)心損壞實

驗器械；三是在一些高危性的技能考評中運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以避免因操作失誤而帶來的人身事故。

2 虛擬技能實訓(xùn)教學(xué)考評系統(tǒng)設(shè)計

在設(shè)計基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的技能實訓(xùn)教學(xué)考評系統(tǒng)時，先由命題專家根據(jù)相關(guān)實訓(xùn)課程或技能工種確定考核內(nèi)容，并提出考核評價方法，設(shè)定考評等級。然后根據(jù)各考評知識點構(gòu)建合適的考評情境，該部分包括構(gòu)建具有逼真感的三維可視化模型，設(shè)計良好的人機交互界面環(huán)境和構(gòu)建操作過程信息的實時顯示與存儲方法。根據(jù)考核內(nèi)容和評價方法設(shè)置考核知識點，分配各知識點的權(quán)重，并設(shè)計操作過程中的得分、扣分規(guī)則，設(shè)置考試時限。通過虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺結(jié)合高級編程語言將三維虛擬考評環(huán)境與考試規(guī)則進行融合開發(fā)，構(gòu)建考評規(guī)則庫及三維虛擬模型交互之間的映射關(guān)系。最后根據(jù)虛擬操作的規(guī)范性、正確性、所用時間及誤操作次數(shù)等交互信息綜合得出考評等級。系統(tǒng)設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計流程

2.1 考核內(nèi)容及評價方法

考核內(nèi)容是指針對某一門實訓(xùn)課程或某個職業(yè)崗位特定的技能而設(shè)置的知識與技能觀測點。這些觀測點由出題專家根據(jù)考核和評價目標(biāo)設(shè)定，內(nèi)容需體現(xiàn)全面性、典型性、層次性。在工程實訓(xùn)類課程中，通常考核學(xué)生使用某種特定設(shè)備的能力和使用與該設(shè)備相關(guān)的其他基礎(chǔ)知識。擬定考核內(nèi)容是進行考評系統(tǒng)開發(fā)的第一步，在選定考評內(nèi)容的觀測點后再進行后續(xù)軟件開發(fā)。

考核評價方法主要有量化評價和質(zhì)性評價。質(zhì)性評價是對量化評價的反思與總結(jié)提煉，受當(dāng)前人工智能水平的限制，在軟件設(shè)計中難以實現(xiàn)質(zhì)性評價。因此，在對技能課程的考評中，通常以量化評價為主。所以在考核學(xué)生對某種設(shè)備的基本操作技能時一般選擇量化考核。通過對各考核觀測點設(shè)置三維虛擬可交互的操作題目，并對各題目賦予權(quán)重。將各觀測點的操作進行記錄并存入數(shù)據(jù)庫中，最后根據(jù)考評規(guī)則結(jié)合數(shù)據(jù)庫中的操作記錄進行綜合量化評價，最終得出考評結(jié)論。

西周中后期，政局動蕩不安，社會矛盾激化，統(tǒng)治者的治國理念也發(fā)生了變化。周穆王命令大臣呂侯作《呂刑》，規(guī)定了墨（刺字）、劓（割鼻）、剕（斷足）、宮（去勢）、大辟（處死）五種刑罰以及三千款處罰條文。如果犯罪事實不清、證據(jù)不足，允許嫌犯繳納罰金贖免。呂侯還提出了“世輕世重”的理論，即刑罰輕重要根據(jù)社會情況的變化加以調(diào)整?！靶绦聡幂p典，刑平國用中典，刑亂國用重典”。[3]在政權(quán)建立之初、國家安定下來和社會秩序混亂等三個不同時期要采用輕重不同的刑罰，統(tǒng)治者可以靈活地、有意識地加以調(diào)整?！笆垒p世重”是對“明德慎罰”思想的重要補充。

2.2 構(gòu)建考評情境

根據(jù)考核內(nèi)容構(gòu)建與之對應(yīng)的逼真三維虛擬考試情境是開發(fā)考評系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)?？荚u情景主要由真實感三維虛擬環(huán)境、人機交互與虛擬行為等部分組成。

2.2.1 構(gòu)建三維可視化環(huán)境

根據(jù)目前的三維建模軟件種類較多，基于參數(shù)化驅(qū)動建模的軟件主要有：SolidWorks，UG，CATIA，Pro/e，該類軟件可構(gòu)建尺寸精確的三維模型，但在紋理貼圖和渲染等方面不如3Dmax軟件，因此，需要根據(jù)對象選擇合適的三維建模軟件。例如，在機械領(lǐng)域的三維模型一般采用SolidWorks等軟件構(gòu)建，而對于一些場景類的三維模型一般采用3Dmax軟件。建模是一個非常復(fù)雜的過程，涉及許多結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的模型，因此，在建模需要綜合衡量模型的精確度、顯示速度、操縱效率、廣泛性等。用建模軟件所建立的三維模型一般需要經(jīng)過模型優(yōu)化、渲染與美化，達到逼真效果后再通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化將其導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實平臺中進行人機交互設(shè)計[10]。目前的虛擬現(xiàn)實平臺主要有：VRML，Java3D，Cult3D，Quest3D，Virtools，EonStudio等[11]。

2.2.2 人機交互與虛擬行為

人機交互是指人與計算機之間相互理解和交流的對話過程，在基于虛擬現(xiàn)實的技能考評系統(tǒng)中，人機交互主要體現(xiàn)在測試者與虛擬設(shè)備之間交互。通常一個完整的交互過程包含如下流程：首先測試者通過輸入設(shè)備(數(shù)據(jù)手套、鼠標(biāo)、鍵盤等外部設(shè)備)對虛擬設(shè)備施加一種特定的操作，虛擬設(shè)備在接到操作命令以后執(zhí)行相對應(yīng)的虛擬行為，輸出設(shè)備將虛擬行為的可視化信息、音效等傳送給測試者，同時操作信息被存入數(shù)據(jù)庫，為操作評價數(shù)據(jù)支持?？荚u系統(tǒng)中虛擬行為是指真實設(shè)備完成特定功能的一些系列行為過程的虛擬仿真。在虛擬環(huán)境中的行為實質(zhì)為一系列三維實時動畫，其運動路徑和運動方式由真實設(shè)備的實際運動移植而來，是對真實設(shè)備運動行為的一種三維虛擬再現(xiàn)。

2.3 編制考評規(guī)則

技能教學(xué)考評是對測試者操作過程行為的正確性和規(guī)范性以及對基本知識的掌握程度等進行全方位評估。因此，在進行評價之前，需要對各考核觀測點的操作進行規(guī)則化描述。先提煉出各觀測點的屬性特征[12]，再將這些特征用數(shù)學(xué)規(guī)則方法進行描述，并建立與三維可視化虛擬交互操作之間關(guān)聯(lián)映射。

在編制考評規(guī)則時，可借助數(shù)據(jù)庫技術(shù)將定義的考評規(guī)則存儲在數(shù)據(jù)庫中，組建考評規(guī)則庫。將各觀

測點的操作方法、得分扣分規(guī)則及其他約束規(guī)則等用數(shù)學(xué)語言描述后用數(shù)據(jù)表形式存入規(guī)則庫。編制這些規(guī)則時，應(yīng)具備如下特征。

(1)考評規(guī)則應(yīng)具有正確性和可用性。每條考評規(guī)則都應(yīng)是對客觀事實的一種數(shù)學(xué)化描述，同時應(yīng)避免規(guī)則設(shè)置的冗余性。(2)考評規(guī)則應(yīng)是由命題專家與軟件工程師經(jīng)過充分討論，共同編制，確保規(guī)則在虛擬現(xiàn)實中的可實現(xiàn)性。(3)考評規(guī)則應(yīng)具備知識關(guān)聯(lián)性。規(guī)則是從考核內(nèi)容中的各觀測點提煉出來的，大多數(shù)情況下各觀測點知識是具備關(guān)聯(lián)性，因此，考評規(guī)則應(yīng)具備知識的前后關(guān)聯(lián)性。(4)考評規(guī)則應(yīng)與三維環(huán)境下的虛擬操作進行一一映射，使得規(guī)則可作用于虛擬操作，從而實現(xiàn)對虛擬操作的評價。

2.4 考評結(jié)論

考評結(jié)論是由考評系統(tǒng)根據(jù)考評規(guī)則庫對測試者的操作過程按照終結(jié)性評估計算方法得出的最終結(jié)果。該部分的核心是終結(jié)性評價計算方法，它直接決定評價結(jié)論。基于虛擬現(xiàn)實的技能教學(xué)考評計算方法依據(jù)實際課程或技能等級的評價標(biāo)準(zhǔn)，為考核內(nèi)容的各觀測點分配權(quán)重系數(shù)，為各觀測點的誤操作分配扣分系數(shù)，并結(jié)合操作所用時間等因素構(gòu)建考評全過程數(shù)據(jù)計算模型。它是一個多因素決策計算模型，依據(jù)這個數(shù)學(xué)模型即可對操作過程進行終結(jié)性評價。

3 開發(fā)流程

本文以模具拆裝實訓(xùn)考評為案例，闡述三維可視化模具結(jié)構(gòu)的虛擬拆裝與運動仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)以美國EON Reality公司開發(fā)的一套模塊化多用途的三維交互式仿真軟件開發(fā)工具EON Studio作為虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺，該平臺能夠讓用戶自定義行為及交互方式，也能夠進行仿真測試及實時更改測試的參數(shù)。系統(tǒng)的開發(fā)流程分為以下六步。

第一步：由負(fù)責(zé)模具實訓(xùn)教學(xué)的教師給出拆裝考評內(nèi)容，并提煉出考評觀測點。

第二步：對實物模具進行尺寸測量，使用Solidworks對模具各零件進行三維造型并裝配。

第三步：使用3Ds max軟件對三維模型進行優(yōu)化、渲染及美化，再將經(jīng)過渲染美化的三維模型文件通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實軟件EON中。

第四步：在EON中對模具的虛擬拆裝與虛擬行為進行程序開發(fā)，搭建與考評規(guī)則庫之間的數(shù)據(jù)接口。

第五步：構(gòu)建考試規(guī)則庫，運用Visual C++編程環(huán)境建立考評規(guī)則數(shù)據(jù)庫與EON三維虛擬行為之間的映射。另外，建立用戶數(shù)據(jù)庫，編寫用戶注冊、登錄程序。

第六步：編寫終結(jié)性評價數(shù)學(xué)模型，最終將EON虛擬仿真、規(guī)則數(shù)據(jù)庫、評價模型進行整合，完成軟件系統(tǒng)的開發(fā)。開發(fā)流程如圖2所示。

圖2 模具拆裝考評系統(tǒng)開發(fā)流程

4 結(jié)束語

隨著虛擬現(xiàn)實的不斷運用，基于虛擬現(xiàn)實的技能實訓(xùn)教學(xué)考評方式具有廣闊的發(fā)展前景，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域中的又一個重要應(yīng)用。通過虛擬現(xiàn)實實現(xiàn)對技能教學(xué)的考評，可使學(xué)員在虛擬環(huán)境中完成技能操作考試。該方式可以保證實訓(xùn)教學(xué)考試不受時間、空間的限制，減少對實訓(xùn)設(shè)備、實訓(xùn)工量器具的投入，使教學(xué)評價效果更理想，有效地提高了傳統(tǒng)實訓(xùn)教學(xué)評價的質(zhì)量。

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The Applied Research of Virtual Reality in the Evaluation System of Practical Teaching

Luo Lufeng, Sun Shuang, Li Guoqin, Yang Hui
College of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology and Education, Tianjin, 300222, China

Because the traditional practical training courses was restricted by some factors such as the equipment cost and maintenance etc, which makes the course assessment and evaluation in large expenditure and the effect is not good. Combined with virtual reality technology and teaching evaluation of skills training, a evaluation method of practical training curriculum based on virtual reality was put forward. Expounded the evaluation system design from four aspects, the evaluation content and evaluation methods, 3D virtual environment for examination, rule base of examination and evaluation conclusion. Finally, took "mould dismounting training" as an example, introduced the development process of evaluation system of mold structure dismantling. This paper provided a new pattern for examination and assessment of skill practice teaching.

virtual reality; practical training; teaching evaluation.

2016-06-02

羅陸鋒，碩士，講師。孫爽，本科，教授。李國琴，碩士，副教授。楊慧，碩士，教授。

天津市普通高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革研究計劃重點項目(編號：C03-0802)。